馬德堡半球?qū)嶒?yàn)（德語：Magdeburger Halbkugeln，英語：Magdeburg hemisphere），亦作馬格德堡半球?qū)嶒?yàn)，馬德堡半球?qū)嶒?yàn)，這是一個(gè)具有深遠(yuǎn)影響的歷史性實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著科學(xué)和工程學(xué)上的一次重大突破。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，人們首次直觀地證明了大氣壓強(qiáng)的存在和威力，并由此引發(fā)了對于這一現(xiàn)象的深入研究。
馬德堡半球?qū)嶒?yàn)的歷史背景可以追溯到17世紀(jì)中期。當(dāng)時(shí)，德國的馬格德堡市長蓋里克做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，以證明大氣壓強(qiáng)的存在。他通過一系列的實(shí)驗(yàn)步驟，成功地展示了大氣壓強(qiáng)的力量，這也使得這個(gè)實(shí)驗(yàn)被后世稱為“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”。在理想狀態(tài)下，地球表面的大氣層會(huì)對下方物體產(chǎn)生一定的壓力，這就是大氣壓強(qiáng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)將兩個(gè)金屬半球緊密地結(jié)合在一起，然后抽出球內(nèi)的空氣，使其內(nèi)部形成接近真空的狀態(tài)。這時(shí)，大氣壓強(qiáng)將兩個(gè)半球緊緊地壓在一起，需要十六匹馬才能將它們分開。馬德堡半球?qū)嶒?yàn)不僅證明了大氣壓的存在，而且證明了它的強(qiáng)大，今天，人們可以在慕尼黑的德意志博物館看到這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原始“設(shè)備”，也就是那兩個(gè)半球。此外，馬德堡市展示有體積較小的教學(xué)仿制品。
馬德堡半球?qū)嶒?yàn)的主要運(yùn)用領(lǐng)域是物理學(xué)和工程學(xué)。在物理學(xué)中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是氣壓和流體靜壓力等概念的重要教學(xué)案例。在工程學(xué)中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)和優(yōu)化氣壓系統(tǒng)提供了重要的參考。此外，馬德堡半球?qū)嶒?yàn)在氣象學(xué)、航空航天等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。
實(shí)驗(yàn)介紹
實(shí)驗(yàn)者介紹
奧托·馮·格里克（德語：Otto von Guericke）是一位德國物理學(xué)家和政治家，出生于1602年11月20日，逝世于1686年5月11日。他來自馬格德堡足球俱樂部的貴族家庭，曾在萊布尼茲和萊頓大學(xué)就讀。他曾以工程師的身份在軍隊(duì)服役，并在1646年~1676年間擔(dān)任馬德堡市的市長。
在從政期間，奧托·馮·格里克并沒有放棄自然科學(xué)的研究。他在1650年發(fā)明了活塞式真空泵，這是一個(gè)具有重要意義的發(fā)明，它為后來的工業(yè)和科技進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。
1654年，他利用這一發(fā)明設(shè)計(jì)并進(jìn)行了著名的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)展示了大氣壓的大小。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是為了推翻亞里士多德提出的"自然界厭惡真空"（horror vacui）的假說，這個(gè)假說認(rèn)為自然界不喜歡真空狀態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)，奧托·馮·格里克證明了大氣壓的存在并且可以產(chǎn)生很大的力量。
實(shí)驗(yàn)背景
在十七世紀(jì)，抽水機(jī)已經(jīng)存在，并被用于從礦井中抽水。然而，當(dāng)意大利塔斯坎寧公爵在佛羅倫薩建造了一個(gè)噴水池，挖了一口深井，并安裝了一臺強(qiáng)力的抽水機(jī)時(shí)，他發(fā)現(xiàn)抽不出水。這個(gè)問題讓他感到非常困惑，因此他決定向伽利略·伽利萊請教。伽利略是一位著名的科學(xué)家，但是當(dāng)時(shí)他雙目失明，身體狀況也不太好，無法親自去現(xiàn)場調(diào)查。他告訴塔斯坎寧公爵：“井太深了，抽水機(jī)內(nèi)的水還沒到井口就因?yàn)樽陨淼闹亓康粝氯チ恕！?/p>
伽利略的繼承者之一，埃萬杰利斯塔·托里拆利，試圖解決這個(gè)問題。他想，抽水機(jī)活塞上升，水也跟著上升，這是為什么呢。他意識到井深超過10米可能是一個(gè)因素，導(dǎo)致水無法升上來。他猜測這可能是由于水面存在大氣壓力的緣故。為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，他做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他使用一根1米長、一端封閉的玻璃管，里面裝滿了汞。他將這個(gè)玻璃管倒置在水銀槽里，發(fā)現(xiàn)水銀柱下降到76厘米左右就不再下降了。這表明大氣對水面的壓強(qiáng)相當(dāng)于76厘米高水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)傳到了法國，引起了帕斯卡和柏里耶的關(guān)注。他們通過自己的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了大氣壓隨著高度的增加而減少的事實(shí)。當(dāng)時(shí)馬格德堡市的市長奧托·馮·格里克是一位非常熱衷于科學(xué)研究的人，雖然他的政務(wù)繁忙，但他始終堅(jiān)持進(jìn)行科學(xué)研究，并積極傳播和普及科學(xué)知識。經(jīng)過幾年的努力，他設(shè)計(jì)、制作并以大規(guī)模公開演示形式在幾個(gè)地區(qū)表演了著名的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)，這是科學(xué)史上首次以該形式普及大氣壓知識，成為經(jīng)典科普案例。這個(gè)實(shí)驗(yàn)因?yàn)槠淞钊苏鸷车男Ч劽谑溃蔀榱丝茖W(xué)歷史上的一個(gè)里程碑。
實(shí)驗(yàn)過程
1654年5月8日，時(shí)任馬德堡市長奧托·馮·格里克在羅馬帝國的雷根斯堡（如今的德國雷根斯堡）市郊進(jìn)行了一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，目的是為了證明大氣壓強(qiáng)存在。他制造了兩個(gè)直徑約50厘米（20英寸）的銅質(zhì)空心半球用于實(shí)驗(yàn)，半球中間有一層浸滿了油的皮革，用以讓兩個(gè)半球能完全密合。其中一個(gè)半球上帶有連接管，用以連接真空泵，有閥門可將其關(guān)閉。當(dāng)兩個(gè)半球間的空氣被抽出后，兩個(gè)半球便會(huì)受周圍的大氣擠壓而緊合在一起。
然后，格里克將16匹馬分為兩組，分別向兩個(gè)半球拉扯。這16匹馬拼盡全力把兩個(gè)半球最后拉開的時(shí)候，發(fā)出了很大的響聲，就像放炮一樣。當(dāng)時(shí)圍觀的市民非常吃驚，而格里克則借此機(jī)會(huì)，向市民解釋這是“大氣的力量”。如果打開銅半球上的閥門，空氣就會(huì)經(jīng)閥門流進(jìn)球里，用手輕輕一拉，球就會(huì)打開。
實(shí)際上，根據(jù)理論計(jì)算，使得兩個(gè)半球結(jié)合的力的大小可以由半球的直徑和半球內(nèi)外的壓強(qiáng)差計(jì)算得到。在奧托·馮·格里克的實(shí)驗(yàn)中，由于無法得知其使用的真空泵的效果，因此無法準(zhǔn)確計(jì)算使得兩個(gè)半球分開所需的力的大小。如果假設(shè)其真空泵能夠完全抽掉所有的空氣，那么要分開兩個(gè)半球則需要20千牛頓的力，這相當(dāng)于需要舉起一頭幼年非洲草原象的力。為了將球體內(nèi)部抽成真空，格里克設(shè)計(jì)并發(fā)明了世界上第一個(gè)真空泵。
之后，格里克多次在各地重現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)以滿足廣大好奇的觀眾。1656年，他在他任職市長的馬格德堡用兩隊(duì)各8匹馬重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)，得到了相同的結(jié)果。他還嘗試將兩個(gè)半球組成的球體抽出空氣后懸掛重物，但是兩個(gè)半球仍然沒有分離。1663年，他在柏林用兩隊(duì)各12匹馬為勃蘭登堡侯爵選帝侯腓特烈·威廉重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，奧托·馮·格里克斯證明：大氣壓強(qiáng)是存在的，并且十分強(qiáng)大。實(shí)驗(yàn)中，將兩個(gè)半球內(nèi)的空氣抽掉，使球內(nèi)的空氣粒子的數(shù)量減少、下降。球外的大氣便把兩個(gè)半球緊壓在一起，因此就不容易分開了。抽掉的空氣越多，半球所受大氣壓力越大，兩個(gè)半球越不容易分開。
相關(guān)概念
真空
真空理論認(rèn)為，在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓的稀薄氣體狀態(tài)，稱為真空狀態(tài)。與通常的大氣狀態(tài)相比較，真空狀態(tài)主要有下述兩個(gè)基本特點(diǎn)。
(1)真空狀態(tài)下，氣體壓力低于一個(gè)大氣壓。因此，地球表面的各種真空容器必將承受到大氣的壓力，顯然，壓力差的大小由容器內(nèi)外的壓力值決定。由于作用在地面上的大氣壓約為101325N/m2，當(dāng)容器內(nèi)壓力很小時(shí)，則容器所承受的壓力可達(dá)到一個(gè)大氣壓。
(2)真空狀態(tài)下，單位體積的氣體分子密度小于大氣壓下氣體分子密度。因此，分子之間、分子與電子、離子等其他物質(zhì)之間，以及分子與容器壁等各種表面之間相互碰撞次數(shù)相對減少，氣體分子的平均自由程(氣體分子連續(xù)碰撞之間飛行距離的統(tǒng)計(jì)平均值)增大。
大氣壓強(qiáng)
從地球表面延伸至高空的空氣重量，使地球表面附近的物體單位面積上所受的力稱為“大氣壓強(qiáng)”，或者說大氣對浸在它里面的物體產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫大氣壓強(qiáng)，簡稱大氣壓或氣壓。 地面上空氣的范圍極廣，常稱“大氣”。離地面200公里以上，仍有空氣存在。雖其密度很小，但如此高的大氣柱作用于地面上的壓強(qiáng)仍然極大。人體在大氣內(nèi)毫不感覺受到氣壓的壓迫，這是因?yàn)槿梭w的內(nèi)外部同時(shí)受到氣壓的作用且恰好都相等的緣故。德國馬格德堡市市長，奧托·格里克做了馬德堡半球?qū)嶒?yàn)證實(shí)了大氣壓的存在。
實(shí)驗(yàn)原理
在抽氣前，半球的外部壓力等于內(nèi)部壓力等于大氣壓，此時(shí)將兩個(gè)半球緊密合攏，無須用力就會(huì)分開，這是因?yàn)榍騼?nèi)球外的大氣壓力相互抵消平衡了，但抽氣后，半球的外部壓力大于內(nèi)部壓力，而且半球內(nèi)部是真空，就好像兩個(gè)半球被大氣壓“壓”住了，因此這兩個(gè)半球要用很大的力才能拉開，通過這次實(shí)驗(yàn)，人們相信有真空存在，也就是有大氣壓強(qiáng)的存在。
微觀
從微觀上來看，可以用分子動(dòng)理論來解釋.因?yàn)闅怏w是由大量的做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子組成，而這些分子必然要對浸在空氣中的物體不斷地發(fā)生碰撞。每次碰撞，空氣分子都要給予物體表面一個(gè)沖擊力，大量空氣分子持續(xù)碰撞的結(jié)果就體現(xiàn)為大氣對物體表面的壓力，從而形成大氣壓。若單位體積中含有的分子數(shù)越多，則相同時(shí)間內(nèi)空氣分子對物體表面單位面積上碰撞的次數(shù)越多，因而產(chǎn)生的壓強(qiáng)也就越大。
宏觀
從宏觀上來看，大氣壓強(qiáng)是指地球大氣層中的空氣對地球表面的壓力。由于地球對空氣的吸引作用，空氣壓在地面上，需要地面或地面上的其他物體來支持它，這些支持著大氣的物體和地面就會(huì)受到大氣壓力的作用。單位面積上受到的大氣壓力就是大氣壓強(qiáng)。 由于大氣層的高度和密度不同，大氣壓強(qiáng)也會(huì)有所改變。高度越高，空氣越稀薄，密度越小，因此大氣壓強(qiáng)也會(huì)越小。另外，地球上面的空氣層密度也不是相等的，靠近地表層的空氣密度較大，壓強(qiáng)也較大，高層的空氣稀薄，密度較小，壓強(qiáng)也較小。這與氣體壓強(qiáng)微觀解釋剛好相符。 因此，大氣壓強(qiáng)的變化與高度、密度、溫度等因素有關(guān)。隨著高度的增加，大氣壓強(qiáng)會(huì)逐漸減小；隨著密度的增加，大氣壓強(qiáng)會(huì)逐漸增大；隨著溫度的升高，大氣壓強(qiáng)也會(huì)逐漸減小。
實(shí)驗(yàn)應(yīng)用
對真空的研究已有370多年的歷史，從1643年埃萬杰利斯塔·托里拆利對真空狀態(tài)的研究、1662年玻義耳創(chuàng)建了玻義耳定律，到1879年伯努利提出氣體分子運(yùn)動(dòng)論，他們奠定了真空技術(shù)的物理基礎(chǔ)。真空技術(shù)在運(yùn)輸、真空器件、冶金工業(yè)、鍍膜工業(yè)、食品包裝及冷凍干燥工業(yè)、航天工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。
在玻璃工廠中，當(dāng)需要搬運(yùn)平板玻璃時(shí)，他們會(huì)使用一個(gè)喇叭狀的吸盤來壓在玻璃上。隨后，通過與吸盤相連的抽氣機(jī)將吸盤中的空氣抽出，使得吸盤內(nèi)部氣壓減小。這時(shí)，大氣壓就會(huì)將玻璃緊緊地壓在吸盤上，使其難以移動(dòng)。接著，人們可以移動(dòng)吸盤，玻璃也會(huì)隨之移動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)適當(dāng)?shù)奈恢煤螅藗兛梢宰尶諝膺M(jìn)入吸盤，這樣玻璃就會(huì)與吸盤分開。這與馬德堡實(shí)驗(yàn)的裝置有所不同，但排空空氣的方法是相同的。
“拔火罐”是中醫(yī)的一種傳統(tǒng)療法，其歷史可以追溯到公元四世紀(jì)，至今已有1500多年的歷史。這種治療方式主要是利用加熱的空氣膨脹，將罐內(nèi)的空氣排出罐外，然后迅速將罐口捂在患處。罐內(nèi)的火熄滅后，隨著罐內(nèi)空氣的冷卻，氣壓減小，小于大氣壓，大氣壓就將罐緊緊地壓在皮膚上，從而達(dá)到治療的效果。近年來，出現(xiàn)了一種改進(jìn)版的“孟氏中藥拔罐”，它在罐中增加了一個(gè)活塞，并配備了旋轉(zhuǎn)螺旋，方便操作。使用時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺旋將活塞推出到與罐口相平，排出罐中的空氣，然后迅速將罐口捂在患處。反向旋轉(zhuǎn)螺旋將活塞拉入罐中，由于罐中空氣幾乎被排空，所以罐中氣壓很小，大氣壓將罐緊緊地壓在皮膚上。這種拔罐方式比傳統(tǒng)拔火罐更加簡便易學(xué)。總之，“拔火罐”是一種歷史悠久且具有良好療效的中醫(yī)療法，其操作簡便易學(xué)，值得推廣和應(yīng)用。
不僅是中醫(yī)，西醫(yī)也常常使用馬德堡半球?qū)嶒?yàn)的原理。例如，在心電圖機(jī)上，常常會(huì)看到一種叫做吸盤電極的東西。它是一個(gè)凹形的橡皮圓盤，圓盤中心與橡皮球相連。在使用時(shí)，只要擠壓橡皮球，就可以將球內(nèi)的空氣排出，然后將電極放在所需的部位。隨后，只要放松橡皮球，橡皮球就會(huì)恢復(fù)原狀，這導(dǎo)致球內(nèi)減壓，大氣壓就會(huì)將電極壓在皮膚上。這樣，就可以通過吸盤電極來監(jiān)測心電圖了。因此，可以看到，馬德堡半球?qū)嶒?yàn)的原理在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，無論是中醫(yī)還是西醫(yī)，都在利用這個(gè)原理為人們提供更好的醫(yī)療服務(wù)。
日常生活中的塑料掛衣鉤和BB槍也利用了馬德堡半球?qū)嶒?yàn)的原理。塑料掛衣鉤通過排出空氣并恢復(fù)原狀，大氣壓將它壓在墻壁上，從而可以掛住物品。玩具槍的子彈前端帶有一個(gè)凹形橡皮吸盤，射出后可以吸附在目標(biāo)物上也是同樣的原理。
許多家庭中使用的鋼化玻璃茶幾的四條腿上端各有一個(gè)凹形的橡皮圓盤，當(dāng)茶幾面放在上面時(shí)，就會(huì)擠壓圓盤并排出其中的空氣。當(dāng)移動(dòng)茶幾時(shí)，抬起茶幾面，圓盤恢復(fù)原狀并體積增大，氣壓減小，大氣壓就將圓盤緊緊壓在茶幾面上。由于圓盤的大小經(jīng)過計(jì)算，使其受到的大氣壓力足以承擔(dān)四條腿的重力，從而保證茶幾腿能夠一起移動(dòng)。
參考資料 >
【生活物理】馬德堡半球?qū)嶒?yàn).內(nèi)蒙古科技大學(xué)包師物理學(xué)院.2023-10-20
三百六十年前的科普——馬德堡半球?qū)嶒?yàn).北京市昌平區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).2023-10-20
為什么飲水機(jī)上倒立的水桶不漏水?.騰訊網(wǎng).2023-10-07